醫(yī)用動(dòng)態(tài)多葉光柵技術(shù)的發(fā)展概述

陳劉利，呂軍，朱志強(qiáng)，尚雷明，龍鵬程（通信作者），胡麗琴

1 中科超精（南京）科技有限公司 （江蘇南京 211899）；2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（安徽合肥 230026）

國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer，IARC）2020 年發(fā)布的全球癌癥統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，中國(guó)癌癥新發(fā)例數(shù)為457 萬(wàn)，死亡300 萬(wàn)例，癌癥已成為引發(fā)死亡的第一病因[1]?；诰珳?zhǔn)計(jì)劃、精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)照射、精準(zhǔn)測(cè)評(píng)的“四精”放射治療技術(shù)，可對(duì)癌癥病灶進(jìn)行精準(zhǔn)滅殺治療，因其適用范圍廣泛，患者生存質(zhì)量高，且具有無(wú)創(chuàng)傷、不良反應(yīng)小的特點(diǎn)，成為癌癥治療的主流手段之一。動(dòng)態(tài)多葉光柵（dynamic multi-leaf collimator，DMLC）又稱多葉準(zhǔn)直器，是隨著放射治療技術(shù)發(fā)展而研發(fā)出來(lái)的一種配置在醫(yī)用直線加速器上的一種關(guān)鍵設(shè)備[2]，能夠通過(guò)射野適形功能較好地滿足放射治療需求。多葉光柵通過(guò)葉片交互運(yùn)動(dòng)的方式形成與目標(biāo)靶區(qū)形狀相吻合的照射野，再將輻射劑量精確照射到目標(biāo)靶區(qū)，并保護(hù)健康組織，提升治療效果，進(jìn)而提高患者的生命質(zhì)量。動(dòng)態(tài)多葉光柵可適用于多種放射治療，如靜態(tài)調(diào)強(qiáng)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)等，具有運(yùn)動(dòng)速度快、成野效率優(yōu)、照射野范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的適形鉛合金擋塊，成為放射治療的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，對(duì)提高放射治療精度具有重要的技術(shù)價(jià)值和意義。

1 光柵的演變歷程

從光柵被用作射線適形開(kāi)始，人們就在不斷對(duì)其進(jìn)行控制、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以提高相關(guān)性能和技術(shù)指標(biāo)，向更低漏射率、更高運(yùn)動(dòng)位移控制精度及更高葉片運(yùn)動(dòng)速度方向持續(xù)發(fā)展。

光柵的發(fā)展歷程[3-6]如圖1所示。光柵最早由日本科學(xué)家Takahashi[7]于20世紀(jì)60年代提出，并首次將其用于適形放射治療，通過(guò)熔融合金制作擋塊的形式控制射野形狀，使射野形狀與病灶投影形狀相吻合。

圖1 光柵的發(fā)展歷程

為替代傳統(tǒng)的合金擋塊、提高治療效率，20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了手動(dòng)適形光柵，通過(guò)手動(dòng)推拉的方式調(diào)節(jié)阻擋塊，前后移動(dòng)組合成適形靶區(qū)的射野[8]。但受制于操作人員觀察和手工操作的誤差及設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的局限性，出現(xiàn)了調(diào)節(jié)速度慢、射線漏射率高、適形度低、治療時(shí)間長(zhǎng)等諸多問(wèn)題，導(dǎo)致其射野難以滿足高精度治療的需求。隨后人們研發(fā)出了半自動(dòng)光柵，可自動(dòng)形成與病灶吻合的射野，如圖2所示[4]。

圖2 光柵的運(yùn)動(dòng)方式

Mantel 等[9]于1977年在東芝LMR-16醫(yī)用直線加速器上采用電動(dòng)光柵控制。Yu 等[10]做了進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)微機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵葉片，使射野形狀可以根據(jù)靶區(qū)的形狀進(jìn)行組合變化，其通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)有效解決了手動(dòng)調(diào)節(jié)效率低的問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)多葉光柵由若干鎢合金葉片、微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)絲桿、電控元件和支撐底盤(pán)構(gòu)成[11]。其通過(guò)控制軟件發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)葉片往返運(yùn)動(dòng)，通過(guò)葉片位置的不斷變化實(shí)現(xiàn)不同形狀的射野，工作原理如圖3所示[12-13]。計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)等的不斷發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了多葉光柵在不同結(jié)構(gòu)形式及不同性能指標(biāo)方面的突破。

圖3 電動(dòng)光柵的工作原理

根據(jù)輻射線屏蔽方式，人們將動(dòng)態(tài)多葉光柵分為單聚焦光柵和雙聚焦光柵[14]，如圖4所示。

圖4 光柵的聚焦方式

根據(jù)在醫(yī)用直線加速器中光柵的配置方式又可分為外置光柵和內(nèi)置光柵，如圖5所示。

圖5 光柵的配置方式

加速器最初的光柵配置方式以外掛式為主，隨著放療需求的多樣化與治療技術(shù)的發(fā)展，高性能的醫(yī)用直線加速器逐步采用將光柵內(nèi)置整合于治療頭的方式[3,5]，這種與醫(yī)用直線加速器一體化的結(jié)構(gòu)與控制集成模式顯著提高了光柵運(yùn)動(dòng)控制與精準(zhǔn)適形應(yīng)用的高效性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

根據(jù)光柵的層數(shù)可分為單層光柵和多層光柵[15-16]，如圖6所示。目前，絕大部分醫(yī)用直線加速器配置的是單層多葉光柵，少部分配置了雙層多葉光柵，3層光柵還處于概念與方案設(shè)計(jì)階段。多層多葉光柵具有獨(dú)特的自屏蔽優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化治療頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，雙層光柵又分為平行雙層光柵與正交雙層光柵。例如，美國(guó)瓦里安的Halcyon 機(jī)型配置了平行雙層光柵，蘇州雷泰醫(yī)用直線加速器VenusX 采用了正交雙層光柵。

圖6 多層多葉光柵示意圖

2 應(yīng)用現(xiàn)狀概述

國(guó)外很多機(jī)構(gòu)或公司對(duì)動(dòng)態(tài)多葉光柵進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)，具有代表性的有Varian、Elekta、Mitsubishi、Siemens、BrainLab、Nomos 等。Varian 研發(fā) 的Millennium、Halcyon 和Elekta 研 發(fā) 的MLCi/MLCi2、Agility 160MLC 等多種動(dòng)態(tài)多葉光柵性能優(yōu)良，成為主流光柵產(chǎn)品。

我國(guó)的中科超精、蘇州雷泰、山東新華、上海聯(lián)影等公司也對(duì)動(dòng)態(tài)多葉光柵進(jìn)行了自主研發(fā)，其中以蘇州雷泰研發(fā)的MLC-H 和山東新華研發(fā)的MLC80為主要代表。

目前，國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)多葉光柵的研究基本都圍繞本機(jī)構(gòu)的醫(yī)用直線加速器展開(kāi)，配置高性能的動(dòng)態(tài)多葉光柵以提高放射治療精度；典型單層光柵的參數(shù)對(duì)比[3,17-19]如表1所示，典型雙層光柵的參數(shù)對(duì)比[18,20-22]如表2所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型單層動(dòng)態(tài)多葉光柵參數(shù)對(duì)比

表2 國(guó)內(nèi)外典型雙層光柵參數(shù)對(duì)比

3 精準(zhǔn)技術(shù)核心

圍繞精準(zhǔn)放射治療的精準(zhǔn)適形需求，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、葉片驅(qū)動(dòng)技術(shù)及運(yùn)動(dòng)位置的二次反饋是精準(zhǔn)化開(kāi)展放射治療的重點(diǎn)核心與前提。

3.1 葉片排布

動(dòng)態(tài)多葉光柵采用多層葉片排布，可以增加射線穿過(guò)葉片的厚度，有效降低葉片間隙之間X 線的漏射率，進(jìn)一步改善射野與靶區(qū)結(jié)構(gòu)形狀的適形程度[23]。多層光柵對(duì)安裝高度有新的要求，半影特性有所改變。計(jì)劃劑量的計(jì)算不僅要考慮端面半影，還要考慮側(cè)面半影的影響。同時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的算法實(shí)現(xiàn)也提出了更高的要求，解決葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分布是通過(guò)多元線束設(shè)備開(kāi)展精準(zhǔn)放射治療的物理基礎(chǔ)前提。

3.2 葉片驅(qū)動(dòng)

光柵的葉片采用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，葉片包采用大電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為滿足快速、精準(zhǔn)適形運(yùn)動(dòng)的要求，對(duì)葉片的運(yùn)動(dòng)速度和加速度方面都提出了嚴(yán)格的要求，因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量適形的關(guān)鍵條件之一。驅(qū)動(dòng)光柵葉片運(yùn)動(dòng)的電機(jī)一般分為3種類型：微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)[24]。其中，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)電子器件替代機(jī)械電刷，能夠精確、快速地控制葉片運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用較為廣泛。解決微結(jié)構(gòu)、大驅(qū)動(dòng)技術(shù)難題是推動(dòng)光柵葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步小型化、便捷化的前提。

3.3 位置檢測(cè)

在放射治療過(guò)程中，葉片位置誤差會(huì)影響射野適形質(zhì)量，進(jìn)而影響治療效果[25-26]，因此，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握葉片運(yùn)動(dòng)位置的狀態(tài)信息十分必要，這對(duì)葉片運(yùn)動(dòng)位置精度的反饋提出了更高的要求。常見(jiàn)的位置檢測(cè)技術(shù)有光學(xué)顯像檢測(cè)、柔性電阻條檢測(cè)、拉繩傳感器檢測(cè)等，這些技術(shù)手段有助于消除葉片運(yùn)動(dòng)位置誤差，可從源頭消除葉片位置誤差對(duì)放射治療的影響。多類型的雙路葉片位置檢測(cè)新技術(shù)可進(jìn)一步提升光柵的到位精度和可靠性。解決位置誤差問(wèn)題的二次反饋與檢測(cè)技術(shù)是實(shí)施實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)放射治療的前提與保證。

4 發(fā)展趨勢(shì)展望

通過(guò)分析光柵發(fā)展歷程發(fā)現(xiàn)，光柵的發(fā)展目標(biāo)是更高適形精度、更低漏射率、更小半影及更高葉片運(yùn)動(dòng)速度。

4.1 更高適形精度

由于葉片投影寬度會(huì)影響射野與靶區(qū)的適形程度，理論上葉片寬度越窄，適形效果越好，治療精度越高[27]。隨著高密度合金材料加工工藝的進(jìn)步，單個(gè)葉片寬度已減小到目前主流的5 mm，甚至更小。Bortfeld 等[28]研究表明，單層光柵的葉片寬度減小到1.5～1.8 mm 即達(dá)到臨界值，進(jìn)一步減小葉片寬度并不能提升適形效果；同時(shí)，葉片寬度越小，加工成本越高，相同射野所需的葉片數(shù)量增多，機(jī)械加工制造技術(shù)的難度也會(huì)大幅提升。

微型動(dòng)態(tài)多葉光柵由于葉片寬度薄，具備較高的適形精度，可用于對(duì)射野邊界精度要求較高的治療。Nomos、Varian、Mitsubishi、Siemens、Elekta 等公司對(duì)微型動(dòng)態(tài)多葉光柵進(jìn)行了深入研究，并推出了產(chǎn)品。微型光柵適形精度較高，但射野范圍?。淮笮凸鈻乓话阍谥行纳湟皡^(qū)域設(shè)計(jì)窄寬度葉片，適形精度相應(yīng)較高，但在大射野狀態(tài)下適形精度表現(xiàn)不佳。不同微型光柵的特征參數(shù)[29]如表3所示。

表3 不同微型光柵的特征參數(shù)

4.2 更低漏射率

凸凹槽式的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)兩兩相互嵌入的凸臺(tái)阻擋相鄰葉片之間X 線的出射，從而降低漏射率[30]，如圖7所示。單層光柵需采用榫槽設(shè)計(jì)才能降低漏射率，凹凸槽設(shè)計(jì)具有榫槽效應(yīng)，不利于治療精度的進(jìn)一步提高，而且榫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝要求較高。目前醫(yī)用加速器配置的單層光柵的漏射率一般在2%以下，部分單位研制的單層光柵漏射率甚至可控制在1%左右或以下。

圖7 光柵單個(gè)葉片形狀

雙層光柵雖無(wú)榫槽設(shè)計(jì)，但由于上下層光柵的錯(cuò)位布局，使X 線照射的有效阻擋深度大幅提高。Siemens 公司首先設(shè)計(jì)出了一種雙層光柵[31-32]，如圖8所示。該類雙層光柵設(shè)計(jì)使相鄰葉片間的間隙被堆疊的葉片阻擋，相鄰葉片之間具有適度的窄縫隙，在有效解決摩擦問(wèn)題的同時(shí)，降低了相鄰葉片間的漏射率，并改善了射野的適形效果。

圖8 Siemens 雙層光柵設(shè)計(jì)示意圖

Topolnjak等[33-34]設(shè)計(jì)了一種3層光柵，如圖9所示，光柵沿射線束方向進(jìn)行布置，每層之間設(shè)置一定的偏轉(zhuǎn)角度（60°），3層光柵也可以有效解決葉片間的漏射問(wèn)題，并可進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，降低一般光柵中機(jī)械摩擦問(wèn)題帶來(lái)的困擾。

圖9 3層光柵示意圖

多層葉片排布結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械精密加工要求降低，因其獨(dú)特的布局特點(diǎn)，可以極大降低漏射率，在綜合考慮醫(yī)用直線加速器治療頭部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，可以考慮取代單層多葉光柵，消除榫槽結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不足。

4.3 更小半影

在放射治療過(guò)程中，光柵開(kāi)野的半影越小，放射區(qū)域的邊界越準(zhǔn)確，治療精度就越高，也越有利于保護(hù)正常組織細(xì)胞。為減小半影，葉片由最初的無(wú)聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)為單聚焦結(jié)構(gòu)和雙聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙聚焦結(jié)構(gòu)的效果較好，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，具有一定的工藝技術(shù)難度，應(yīng)用不夠廣泛。因此，單聚焦葉片結(jié)構(gòu)布局方式應(yīng)用得較多。早期光柵葉片端面為直線形，后來(lái)Maleki 與Kijewski[35]提出，將葉片端面設(shè)計(jì)為圓弧狀以保持半影恒定，直線葉片端面逐漸被圓弧端面取代，人們?cè)诎胗皟?yōu)化方面開(kāi)展了大量工作，進(jìn)一步減少了半影對(duì)適形精度的影響，逐步提高了放射治療的精度。

4.4 更高速度

葉片速度取決于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，由最初的25 mm/s 到現(xiàn)在的40 mm/s，而Elekta 的160 MLC 可達(dá)80 mm/s。在開(kāi)展動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)與容積調(diào)強(qiáng)治療時(shí)，葉片的連續(xù)、快速、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)非常重要，提升葉片的運(yùn)動(dòng)速度需要在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、程序控制等方面進(jìn)行突破。在傳統(tǒng)伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，葉片的運(yùn)動(dòng)速度已達(dá)上限，提升空間有限。需要在光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序控制方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。直線電機(jī)不需要絲桿這種中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即可輸出動(dòng)能直接驅(qū)動(dòng)葉片，使葉片的運(yùn)動(dòng)速度更高，故障率也更低[36-37]。

5 結(jié)語(yǔ)

光柵作為一種實(shí)施精準(zhǔn)治療的關(guān)鍵設(shè)備，一直以來(lái)不斷朝著更低漏射率、更高適形度、更高速度的方向發(fā)展，以適應(yīng)不同治療技術(shù)發(fā)展的需求。國(guó)外對(duì)光柵的設(shè)計(jì)研發(fā)較早，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，掌控著核心技術(shù)。我國(guó)起步較晚，近年來(lái)雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、程序控制和軟件設(shè)計(jì)等方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在不可忽視的差距。特別是近年來(lái)以雙層多葉光柵為代表的多葉光柵受到了廣泛關(guān)注，我國(guó)仍需繼續(xù)推進(jìn)高質(zhì)量、高性能光柵的研發(fā)，致力于為醫(yī)用直線加速器配置性能指標(biāo)更優(yōu)、運(yùn)行更穩(wěn)定的多葉光柵，加快推進(jìn)我國(guó)大型醫(yī)療裝備國(guó)產(chǎn)化的步伐。

致謝

本研究得到FDS 鳳麟核團(tuán)隊(duì)其他成員的支持。